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动力之心
尹俊杰    来源社团:西北工业大学学生科幻...
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【摘要】作为组成飞机的重要部件,航空发动机——飞机的心脏,其内部结构复杂程度一定意义上代表了人类工业发展的巅峰水平。航空发动机内部构建究竟是怎样的?航空发动机的运行原理是什么?未来的航空发动机将向着什么样的情况发展?本文将一一讲述。

建国70周年的阅兵式让我们大饱眼福。阅兵式上,很多我国新式的兵器得以亮相,在其中,歼-20、歼-11B以及首次亮相的轰6-N绝对是本次阅兵式的重头戏。对于保卫祖国领空的战斗机,我们或许更加注重它的武器、火控和隐身等硬性作战性能;而即使我们在坐飞机时,也很难去关注飞机为什么会飞起来。其实,想让一架飞机能够安全、稳定地运行,甚至能满足战斗机的一些机动动作,一台好的动力装置是不可或缺的。它就是飞机的心脏,航空发动机。

2019国庆阅兵上我国空军的雄姿

现代航空发动机是世界上技术含量最高、造价最为昂贵的机械之一。按照单位重量的价格来考虑,如果把轮船的价格设置为1,那么汽车的价格是9,意味着汽车的单位重量价格是轮船的9倍。以此进行推算,计算机的价格是300,民用客机的价格是800,航空发动机则达到了1400。一台CFM-56发动机的造价高达410~700万美元。可以说,航空发动机是一架飞机造价的“大头”。

为什么航空发动机如此昂贵,它的技术又有多么先进?我们从航空发动机的原理开始说起。

F-100发动机的结构图,看着真的很复杂

仅仅只是牛顿第三定律?

我们都知道,要让一架飞机升起来,需要对飞机提供自下而上的浮升力以抵抗重力。浮升力的产生又来源于伯努利方程,也就是我们俗称的“流速越大,压强越小”。不过浮升力是机翼要干的活,与我们所讲的航空发动机无关。航空发动机用于提供推力,以驱使飞机向前进。那么,航空发动机的原理其实显而易见:对于活塞式发动机,通过内燃机四冲程的运行,螺旋桨的叶片被带动旋转,使空气加速向后流动,而空气的流动又反过来给飞机一个作用力,因此飞机被“推”着往前走;对于涡轮喷气式发动机,空气经过加压后与燃油混合燃烧,并以燃气的形式喷射出来,它也同样对飞机产生一个向前的推力。所以,气体的反作用力就是飞机能够向前飞的原因,换个说法,就是牛顿第三定律。

牛顿老爷子:想上天还是离不开我呀……


你没听错,就是这么简单。

当然,话还没有说完。我们的目标并不仅仅是让一架飞机飞起来,而是能让它飞得更快、更高,让它载重量更大。活塞式发动机的工作循环与内燃机类似,它无法提供连续的做功过程,另外,螺旋桨在音速附近时,做功效率急剧下降,因此,除去一些小型飞机,现代航空发动机基本都是涡轮发动机。

涡扇发动机结构


以涡轮喷气发动机为例,一架发动机由五大部件组成:进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管。进气道负责吸入空气,进入压气机中。压气机分为离心式和轴流式,它将吸入的空气加压,进入燃烧室中,与燃油混合燃烧。燃烧后的高温高压燃气作用于涡轮叶片,推动涡轮旋转,涡轮和压气机间以轴相连,涡轮的旋转带动压气机旋转。最后,燃气经由尾喷管喷出发动机,为飞机提供推力。

好吧,这听上去好像也不难。

从莱特兄弟到F-35——百年的航发发展史

仅仅从航空发动机飞行的原理来看,似乎并不能体现出航空发动机本身的技术难点。我们不妨从航发的发展历程说起。自1903年12月17日莱特兄弟把那台四缸直列式水冷发动机装在他们的飞机上并完成了世界上第一场飞行后,人类正是开启了对航空发动机探索的大门。当时也没人会想到,这台小小的内燃机未来将会变化出这么多不同的分支。

战争推动技术进步。第二次世界大战期间,活塞式发动机得到广泛的发展和应用。战争的双方都竭尽全力地改进自己的发动机——对于一架优良的战斗机来讲,提升空中格斗能力最重要的部分当然是提升发动机性能。当时最具代表性的发动机无异于普惠公司的“双黄蜂”R-1830以及英国的“梅林”V-12,前者是美军近两万架B-24轰炸机的动力装置,后者则广泛用于“飓风”、“喷火”、“野马”等大名鼎鼎的战斗机。

P-51“野马”战斗机


燃气涡轮发动机的诞生宣布了活塞式发动机的死刑。早在上世纪30年代,英国的怀特少校就已经成功研制出了涡轮喷气式发动机,而同时期的德国甚至已经成功完成了世界上第一架喷气式飞机的首飞。从上世纪40年代开始,燃气涡轮发动机开始了迅猛的发展历程。从涡轮喷气式发动机开始,相继又有用于直升机的涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机、兼具性能和效率的涡轮风扇发动机以及“胎死腹中”的桨扇发动机出现。燃气涡轮发动机在70余年的发展中,战斗机发动机的推重比已经从2提升至7~9,对于更加先进的第四代航空发动机,推重比甚至达到了10甚至更高。


更高的推重比——向下一代航发前进

在这个瞬息万变的时代,空军已经成为战场的决定性因素之一。航空发动机作为飞机的心脏,可谓当仁不让。从某些角度来讲,航发是决定战斗机作战能力的要素之一。研发先进的航空发动机,对一个国家保持军事、技术、商业优势发挥了重要作用,因此,世界上几个大国都在争先恐后地研发航空发动机。

凯特王妃站在英国罗罗公司制造的发动机前做加油的手势,以示鼓励


但一架发动机的研制、定型、使用的难度超乎想象。以F-22战斗机的动力装置F-119涡扇发动机为例,从项目的提出到定型装备,期间经历了足足二十六年的历程,消耗了几十亿美元的研发费用,真可谓“劳民伤财”。所以只有像中国、美国、俄罗斯这样国力雄厚的国家才有足够的实力研发新一代航空发动机。

F-119发动机的矢量喷管


为什么航空发动机的技术这么难突破呢,牛顿老人家不是早就给出第三定律了吗,这到底难在哪了?

一架航空发动机的决定性指标是推重比。推重比是推力和重力之比,即单位重量的发动机部件能够提升的推力的大小,它直接决定了飞机的载荷。可以说,我们对发动机上万个零件孜孜不倦地研究,追根溯源就是为了提高发动机的推重比。

布莱顿循环示意图


高压压气机静子叶片,其实,它比我们想象中的要小很多


如何提高推重比?这要从航空发动机的工作循环入手。为了便于理解,我们可以把航空发动机工作的过程类比为人体的能量转化。人体的呼吸大家都知道,我们把它分为四个过程——吸气、氧气与葡萄糖作用生成三磷酸腺苷(ATP)、ATP供给人体机能正常运转、最后产生的二氧化碳从肺部排出。航发的工作循环的官方名称是布莱顿循环,与前面人体的例子相对应而言,包含绝热压缩(压气机压缩空气)、等压加热(燃油在燃烧室中燃烧)、绝热膨胀(燃气对涡轮作用,驱动涡轮做功)和等压冷却(燃气从尾喷管中排出)四个过程。经过简单的热力学计算可以得出如下结论:发动机的性能强劲与否,本质上取决于两个要点:压气机的增压比以及涡轮前温度。

提升发动机的增压比——即提高压气机的增压能力是提升发动机效率的根本途径。我们不妨想一想:把空气压得更“紧”,燃气的压强就更高,对涡轮的作功能力自然也就更强。但是,压气机转子叶片的工作环境已经非常恶劣。高压压气机转子叶片的质量只有几百克,它的转速却能达到上万,再加上上百度的工作温度和承受高速气体撞击的条件,如果继续增加其转速,提高增压比,已经非常困难了。更重要的是,真正决定发动机性能的最本质参数是涡轮前温度。

所谓涡轮前温度,就是指从燃烧室出口处的燃气流的温度。它的原理也不难理解:火烧得“越猛”,温度越高,肯定发动机的动力更足。根据计算,涡轮进口温度每提高55℃,在发动机尺寸不变的条件下,发动机推力约可提高10%。现代航发的涡轮前温度可以达到1800K以上,而反过来看我们“可怜”的涡轮材料,即使是我国目前研发的最出色的涡轮材料,其最高工作温度也只有不到1300K。研发更加出色的材料以提升涡轮部件工作温度当然很重要,但更加重要的是:这期间上百K的温差是需要靠涡轮的冷却技术来解决的。

涡轮叶片冷却技术的发展经历了对流冷却、冲击冷却到现在广泛使用的气膜冷却和新概念的发散冷却。所谓气膜冷却,就是指从发动机的冷端部件(诸如涡扇发动机的外涵道、压气机气流等)引入冷却空气,从叶片端部进入叶片内腔,通过叶片壁面上的大量小孔流出,在叶片表面形成一层气膜,将叶片表面和燃气隔绝开,达到冷却叶片的目的。千万不要小看这种“密恐患者的天敌”样的散热形式,它能够把涡轮叶片表面温度降低400~600K,对于更加先进的发散冷却,其冷却效果更是能达到500~800K,但同样,相对而言它的技术要求也更加复杂了。

气膜冷却的原理,可以看作利用冷空气在叶片表面形成一层“防护罩”,以抵御燃气和叶片直接接触


航空发动机的未来——用什么来终结F-22?

F-22是世界上最先进的战斗机,同样,F-119也是世界上最先进的军用发动机。目前世界上还有许多大国也当仁不让,争先研制第四代航空发动机,包括普惠公司的F-135发动机(它是F-35战斗机的动力装置),俄罗斯Su-57战斗机的AL-41F发动机,以及我国J-20B战斗机拟定装配的WS-15“峨眉”发动机。而我们是否在未来会出现革命性的新型航空发动机呢?

Su-57战斗机


当今世界瞬息万变,而世界各国也对航空发动机的发展尤为重视。航空燃气涡轮发动机在发明之后逐渐成为主流之作,当今更是一个涡轮风扇式喷气发动机制霸的时代。我们所说的改良传统涡扇发动机的性能,固然能满足我们目前的想法和需求。但那只是简单地“换汤”,能否真正实现突破,需要的是研发工作原理截然不同的“换药”形式的发动机。然而遗憾的是,目前业界普遍的观点无不这么认为:到21世纪前半叶(2050年前),还没有能够替代航空燃气涡轮喷气发动机的动力装置。

尽管如此,我们的前沿研究学者依然没有停下对它们探索的步伐。现在新概念发动机主要以空气喷气式发动机为主。

最有可能成为我们下一代航空发动机,也就是我们的“主角”的,是变循环发动机(就是我们所说的VCE和ACE)。其实变循环发动机从字面意思上很容易理解,它是指在一台发动机上,通过改变发动机的一些部件的几何形状、尺寸或者位置,来达到不同工况下的工作循环。一架飞机在飞行过程中会面临许多不同类型的工作状况,比如起飞、亚音速巡航、战斗机的空中格斗、开启加力燃烧状态追击敌机,以及海洋、高原、沙漠等等不同地域,加之雨雪等等天气影响,而我们传统的发动机只是基于一种特定的常规工况所设计,面对如此多种实际情况,传统发动机只是要求尽可能减少性能损失。所以,虽然变循环从本质上来看还只是涡轮风扇喷气式发动机,但它的概念显得尤为重要。但是,其实ACE和VCE技术存在许多难点以待攻克,对发动机各部件以及控制系统也有众多新技术的要求。关于变循环发动机,尽管它是目前研究的大热门,但研发过程依然困难重重,这也从侧面表现了航空发动机的高价格、高技术。

YF22、YF23战斗机与YF120变循环发动机,它是世界上第一种经飞行验证的战斗机用变循环发动机。


另外,当今研发热门还其他新概念的发动机,他们从传统的涡扇发动机的思维跳了出来,也就是说,更像“换药”了。下面介绍的脉冲爆震和超燃冲压就是如此。

脉冲爆震发动机是一种利用脉冲式、周期性爆震波所产生的高温高压燃气来产生推力的全新概念发动机。与一般喷气发动机的等压稳态燃烧的爆燃波不同,脉冲爆震发动机中的爆震波是以高超声速燃烧的,因此它能够提供极高的燃气压力、燃气温度以及速度。想实现它并没有那么容易,我们简单地想想就知道:在大风天气的室外,我们很难维持住打火机中火焰的稳定,同理,在高超声速的条件下点火的难度可想而知。

看起来好奇怪的脉冲爆震发动机


此外,另一种听起来科幻感十足的发动机是超燃冲压发动机。在科幻小说《盲视》中也有过它的登场——“贝茨从感控中心中抓出一幅图,在前端将某些部分高亮显示,后端随即得出了结论:‘超音速冲压喷射装置。’”超燃冲压发动机是指燃烧室进口速度为超声速的冲压发动机,因此,在其燃烧室内的空气与燃料的混合燃烧是在超声速气流中进行的。超燃冲压发动机并不是我们常说的燃气涡轮发动机,但它可以用于高马赫数的飞行器,在未来,也许它将成为导弹的动力装置。

NASA所研发的X-43A飞行器,装备了超燃冲压发动机,是人类所建造出来的速度最快的飞行器


另外,之前并没有凉透的桨扇发动机此时又“死灰复燃”。它虽然已经不是一种新的概念了,但它对当前民航的发展有重要意义。在当今民用航空发动机更加注重经济效益的情况下,桨扇发动机的研究也逐渐多了起来。不远的未来,我们也许能看到桨扇发动机终结CFM-56的时代来临。

桨扇发动机虽然存在噪声和安全性差等问题,但其低油耗的优点是未来民航发动机的方向

结语

人类是大地的孩子,但人类终将走出大地,飞向蓝天。航空发动机不仅仅是一个体现牛顿第三定律本质的机械装置,它更代表了人类渴望天空的心。虽然,对抗的本能使航空发动机依然作为一项重要的军事武器而得以发展,但它依然是集成人类各领域科学技术的结晶。

未来的人们也许会怀念我们这个使用涡轮发动机的时代,就像我们怀念当年只有火车的时代一样。时代是在进步的,科学是在进步的,但永远不变的是我们的好奇心。为了更高、更快、更重的目标,我们从不会停下探知的步伐。

当然,终有一天,人类终将像如今研发航空发动机一样为太空探索注入资金,因为——

我们的征途是星辰大海。

我们的征途是星辰大海


-完-
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动力之心
尹俊杰

学校:西北工业大学

学历:本科

专业:飞行器动力工程

社团:西北工业大学学生科幻协会

职业:学生

评委点评 评语汇总

以通俗晓畅的语言阐释了航空发动机的技术原理与发展历程,结构严整,条理清晰。

2020-10-15 06:58 匿名 ——

文章内容详实、图文并茂,为我们介绍了航空发动机的“前世今生”,是一篇很好的科普文章。美中不足的是行文有点平铺直叙,不够吸引读者,希望作者能在这方面多下功夫。

2020-10-08 00:48 匿名 ——

语言干净利落,内容详实,条理清晰。多角度介绍了动力之心——航空发动机。若在文章的趣味性方面多加锤炼,会更好。

2020-09-19 10:13 匿名 ——

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